Пет големи проблема в теоретичната физика

В своята противоречива книга от 2006 г. „Проблемът с физиката: възходът на теорията на струните, падането на науката, и Какво следва ", теоретичният физик Ли Смолин посочва" пет големи проблема в теоретичното физика."

1. Проблемът за квантовата гравитация: Комбинирайте обща относителност и квантова теория в една единствена теория, която може да претендира за пълна теория на природата.
2. Основоположните проблеми на квантовата механика: Решете проблемите в основите на квантовата механика, или чрез осмисляне на теорията, която съществува, или чрез измисляне на нова теория, която има смисъл.
3. Обединението на частиците и силите: Определете дали различните частици и сили могат да бъдат обединени в теория, която обяснява всички тях като прояви на едно единствено, фундаментално цяло.
4. Проблемът с настройката: Обяснете как в природата се избират стойностите на свободните константи в стандартния модел на физика на частиците.
5. Проблемът с космологичните мистерии: Обяснете тъмна материя и тъмна енергия. Или, ако те не съществуват, определете как и защо гравитацията се променя в големи мащаби. По-общо обяснете защо константите на стандартния модел на космологията, включително тъмната енергия, имат стойностите, които имат.
   instagram viewer

Квантова гравитация е усилието в теоретичната физика за създаване на теория, която включва и двете обща относителност и стандартния модел на физика на частиците. В момента тези две теории описват различни мащаби на природата и се опитват да изследват мащаба там, където се намират резултати от припокриване на добива, които нямат съвсем смисъл, като например силата на гравитацията (или кривината на пространството) безкраен. (В крайна сметка физиците никога не виждат истински безкрайности в природата, нито искат!)

Един въпрос с разбиране квантова физика е това, което е в основата на включения физически механизъм. В квантовата физика има много интерпретации класическа интерпретация в Копенхаген, Оспорваното тълкуване на много светове на Хю Еверет II и още по-противоречиви като например Антропичен принцип на участието. Въпросът, който възниква в тези интерпретации, се върти около това, което всъщност причинява срив на квантовата вълнова функция.

Повечето съвременни физици, които работят с квантовата теория на полето, вече не считат тези въпроси за интерпретация за уместни. Принципът на декохерентността е за мнозина обяснението - взаимодействието с околната среда причинява квантовия срив. Още по-значимо е, че физиците са в състояние да решат уравненията, да извършват експерименти и да практикуват физика без решаване на въпросите какво точно се случва на фундаментално ниво и затова повечето физици не искат да се доближават до тези причудливи въпроси с 20-футов полюс.

Има четири основни сили на физиката, а стандартният модел на физика на частиците включва само три от тях (електромагнетизъм, силна ядрена сила и слаба ядрена сила). Гравитацията не е от стандартния модел. Опитвайки се да създадете една теория, която обединява тези четири сили в a единна теория на полето е основна цел на теоретичната физика.

Тъй като стандартният модел на физиката на частиците е квантова теория на полето, тогава всяко обединение ще трябва включват гравитацията като квантова теория на полето, което означава, че решаването на задача 3 е свързано с решаването на проблем 1.

Освен това стандартният модел на физиката на частиците показва много различни частици - общо 18 основни частици. Много физици смятат, че фундаменталната теория за природата трябва да има някакъв метод за обединяване на тези частици, така че те са описани в по-фундаментални термини. Например, теория на струните, най-добре дефинираният от тези подходи, предсказва, че всички частици са различни вибрационни режими на основните нишки на енергия или струни.

А теоретична физика Моделът е математическа рамка, която, за да се правят прогнози, изисква да се зададат определени параметри. В стандартния модел на физиката на частиците параметрите са представени от 18-те частици, предвидени от теорията, което означава, че параметрите се измерват чрез наблюдение.

Някои физици обаче смятат, че основните физически принципи на теорията трябва да определят тези параметри, независимо от измерването. Това мотивира голяма част от ентусиазма за единна теория на полето в миналото и предизвика известния въпрос на Айнщайн „Имаше ли Бог някакъв избор, когато той създадохте Вселената? "Дали свойствата на Вселената по своята същност задават формата на Вселената, защото тези свойства просто няма да работят, ако формата е различно?

Отговорът на това изглежда силно се навежда към идеята, че не може да се създаде само една вселена, но има широк спектър от фундаментални теории (или различни варианти на една и съща теория, базирани на различни физически параметри, първоначални енергийни състояния и т.н.) и нашата Вселена е само една от тези възможни вселени.

В този случай става въпросът защо нашата Вселена има свойства, които изглеждат толкова фино настроени, че да позволят съществуването на живот. Този въпрос се нарича проблем с фина настройка и насърчи някои физици да се обърнат към антропичен принцип за обяснение, което диктува, че нашата Вселена има свойствата, които прави, защото ако имаше различни свойства, нямаше да сме тук, за да зададем въпроса. (Основен тласък на книгата на Смолин е критиката към тази гледна точка като обяснение на свойствата.)

Вселената все още има редица мистерии, но тези, които повечето врагове физици са тъмна материя и тъмна енергия. Този тип материя и енергия се откриват от гравитационните му влияния, но не могат да бъдат наблюдавани директно, така че физиците все още се опитват да разберат какви са те. Все пак някои физици предлагат алтернативни обяснения за тези гравитационни влияния, т.е. които не изискват нови форми на материя и енергия, но тези алтернативи са непопулярни за повечето физици.

Редактиран от Ан Мари Хелменстин, д-р